دروع الأنفاق: الوصف والغرض. الحفر الأفقي

بدأ تاريخ دروع الأنفاق في القرن قبل الماضي في إنجلترا. الدرع الأول قام ببناءه المهندس برونيل لبناء نفق تحت نهر التايمز.

لفهم بنية مجمعات أنفاق الدرع الحديثة، دعونا أولاً نتعرف على مصدر مفهوم "الدرع" ذاته، لأن ما نراه في الصور ليس له أي شيء مشترك مع درع الفارس :-). بدأ تسمية هذا الجهاز بالدرع (من كلمة "درع" الإنجليزية) لأن مهمته الرئيسية كانت حماية عمال المناجم في الوجه من الانهيار الصخري في مقطع قصير بين الوجه والمكان الذي توجد فيه البطانة الدائمة للنفق بالفعل مستعد. تدريجيا، أصبحت تصاميم الدروع أكثر تعقيدا - من هيكل فولاذي مغلق بسيط (بالمناسبة، لم تكن الدروع الأولى مستديرة على الإطلاق)، إلى مجمعات مملة الأنفاق المعقدة الحديثة.

في الألواح الأولى، تمت إزالة التربة الموجودة في الوجه يدويًا بواسطة العمال باستخدام مجرفة، ومعول، وبعد ذلك بآلة ثقب الصخور، وتمت إزالتها من خلال النفق الذي تم تشييده على عربات. لتحريك الدرع للأمام، تم استخدام الرافعات اللولبية، التي استقرت على الجزء النهائي من بطانة النفق ودفعت الدرع للأمام. بعد ذلك، بدأ استخدام الرافعات الهيدروليكية بدلاً من الرافعات اللولبية. وكانت هذه بالفعل خطوة هائلة إلى الأمام، مما أدى إلى زيادة معدل الاختراق بشكل كبير. لا تزال الرافعات القوية أحد المكونات الرئيسية لمجمعات الأنفاق الحديثة. كانت الخطوة التالية هي الاستخدام شبه العالمي للبطانة الجاهزة من العناصر الكبيرة - أنابيب الحديد الزهر في البداية. يتميز تصميم البطانة هذا بعدد من الصفات الرائعة - بالإضافة إلى القدرة على تحمل الضغط والضيق الهائلين، فإن القدرة على تجميع حلقة من الفولاذ المقاوم للصدأ مهمة أيضًا. كمية كبيرةعناصر كبيرة. إن استخدام الآليات التي تسمح بتثبيت الأنابيب على الفور في الموضع المطلوب (طبقات الأنابيب) أدى إلى زيادة كبيرة في سرعة بناء البطانة.

في التربة المشبعة بالماء، غالبا ما يتم تنفيذ العمل باستخدام الغواص. تم إغلاق النفق الموجود خلف الدرع بحاجز مغلق، وتم تركيب بوابة للسماح للأشخاص بالمرور إلى الوجه. يقوم الضاغط بضخ الهواء المضغوط إلى الوجه. إن زيادة الضغط إلى عدة أجواء جعلت من الممكن ضغط الماء حرفيًا في أعماق الصخر ومنع دخوله إلى الوجه. ومع ذلك، فإن عمل عمال الأنفاق تحت الضغط العالي فرض قيودًا خطيرة - لم تكن مدة التحول أكثر من ساعتين، ثم تم تنفيذ عملية سد طويلة. غالبًا ما يعاني عمال البناء من مرض تخفيف الضغط، الأمر الذي يتطلب منهم قضاء ساعات طويلة في غرفة الضغط.

نظرًا لأن حجم الأنفاق كان ينمو باستمرار، ظهرت منصات أفقية في الجزء الأمامي من الدرع، مما سمح للعمال بتطوير التربة في نفس الوقت من مستويين (وأحيانًا أكثر). ومع ذلك، ظل معدل الاختراق منخفضًا جدًا بسبب كثرة العمل اليدوي والمساحة المحدودة والحوادث المتكررة وانفجارات الصخور والاختراقات. المياه الجوفيةإلى الوجه. تم عمل أول درع للأنفاق في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية أثناء بناء النفق في ميدان دزيرجينسكي (لوبيانكا) - قسم أوخوتني رياض. هناك، ولأول مرة في العالم، تم استخدام البطانة الخرسانية الجاهزة. أثناء بناء المرحلة الثانية، كان هناك 42 درعًا تعمل في نفس الوقت على الطرق السريعة - وهذا رقم قياسي عالمي مطلق. تم أيضًا بناء أنفاق المحطة بمجمعات ألواح ذات قطر كبير.

بالنسبة للحفر في التربة الرملية، بدأ تجهيز الدروع عند الرأس بمنصات قطع أفقية تمنع الوجه من الانهيار، ويتم ضغط هذا الدرع في الصخر باستخدام الرافعات، ويتم سكب التربة وتجميعها بواسطة محمل.

وكانت الخطوة التالية هي الإلغاء شبه الكامل للعمل اليدوي، وذلك بسبب ميكنة عملية تعدين الصخور في قسم الوجه. كقاعدة عامة، يتم تثبيت دوار فولاذي قوي مع قواطع على محور الدرع، والذي يطور الصخرة في الوجه. ثم يتم تغذية الصخور إلى ناقل، حيث يتم سكبها في عربات ونقلها عبر نفق تم بناؤه بالفعل. توجد أيضًا دروع بجسم عمل دلو - للصخور الناعمة.

لأول مرة في اتحاد الجمهوريات الاشتراكية السوفياتية، تم بناء درع ميكانيكي تجريبي في عام 1949 خط الدائرةفي موسكو وقمنا ببناء عدة مئات من الأمتار من النفق في قسم كييف - بارك كولتوري. بدأ الاستخدام الواسع النطاق للدروع الآلية في النصف الثاني من الخمسينيات في دائرة نصف قطرها ريغا (الدرع الميكانيكي لما يسمى بتصميم موسكو)، في لينينغراد على طول الطريق بأكمله (ما يسمى بدرع لينينغراد) وفي كييف (على التوالي، درع كييف). تم تحديد تصميمات مختلفة حسب أنواع التربة المختلفة: في موسكو - "شطيرة" من الحجر الجيري/الطين الجوراسي/الطين الرملي الجاف والطين، في سانت بطرسبرغ - الطين الكامبري الجاف الكثيف، في كييف - الطين البلاستيكي الناعم.

للحفر في التربة المعقدة المشبعة بالمياه، بدأ استخدام الغواصات (العمل تحت ضغط الهواء المضغوط) للفتحة السفلية. لقد أصبح عمل عامل المنجم عملاً ماهرًا للمشغل. الوسائل الحديثةالملاحة - تسمح الجيروسكوبات ومزواة الليزر للدرع بالحفاظ بدقة على قيم تصميم المسار، سواء في المخطط أو في الملف الشخصي. تم الحفاظ على العمل اليدوي فقط عندما كان من الضروري استبدال القواطع البالية. تم تسجيل الرقم القياسي العالمي لسرعة حفر الأنفاق - 1250 مترًا من النفق شهريًا - بواسطة الدرع التسلسلي KT-1-5.6 في موقع بناء نفق التقطير في لينينغراد في القسم من بايونيرسكايا إلى أوديلنايا في عام 1981. في السبعينيات والثمانينيات، كانت هذه الدروع تعتبر واحدة من أكثر الدروع تقدما في العالم.

عند بناء الأنفاق في التربة المشبعة بالمياه غير المستقرة، كان من الضروري استخدام أساليب خاصة معقدة - خفض المياه، وتجميد التربة، مما أدى إلى انخفاض كبير في السرعة وزيادة تكلفة البناء. لقد أصبحت المتطلبات أكثر صرامة، فالهبوط السطحي الذي حدث في الماضي أصبح الآن غير مقبول، لأن شبكة ضخمة من أنابيب المياه والغاز تمتد بالقرب من سطح الأرض، الكابلات الكهربائيةخطوط اتصال تدعم حياة مدينة كبيرة.

لا تحتوي الدروع التي تحتوي على ما يسمى بـ "ضغط الأرض" (EPB، توازن ضغط الأرض) على كل هذه العيوب.

عندما يكون الدرع قيد التشغيل، يتم أولاً إدخال الصخور المستخرجة في غرفة تحميل التربة المغلقة. تتم إزالة التربة من هذه الحجرة باستخدام ناقل لولبي (كما هو الحال في مفرمة اللحم :) فقط عندما يكون ضغطها في الحجرة مساويًا للضغط في الوجه، ويتم مراقبة ذلك بواسطة أجهزة استشعار خاصة. وهذا يضمن الحفاظ المستمر على الضغط على الوجه، سواء عندما يتحرك الدرع للأمام أو عندما يتم سحب رافعات الدرع لتركيب حلقة البطانة التالية.

واليوم يتم بناء الأنفاق في أصعب الظروف الهندسية والجيولوجية. في التربة ذات الرمال المتحركة غير المستقرة، مع وجود ضغط كبير للمياه الجوفية، وحتى الهبوط البسيط للسطح أمر غير مقبول، يتم استخدام مجمعات الأنفاق ذات التحميل الهيدروليكي ("Slurry Shield"). في مثل هذه المجمعات، يتم حقن محلول البنتونيت في الجزء السفلي من الحفرة تحت الضغط اللازم (يمكننا التحدث عن عشرة أجواء)، مما يجعل من الممكن الحفاظ على الوجه في وضع مستقر حتى في أثقل التربة ذات الرمال المتحركة. تتم إزالة الصخور المستخرجة، المكسرة إلى عجينة، مع البنتونيت من خلال خط أنابيب. في غرفة الفصل، يتم فصل الصخور واستخلاص محلول البنتونيت. يتم نقل التربة المنفصلة عن البنتونيت عبر نفق تم إنشاؤه بالفعل، ويتم إرجاع محلول البنتونيت إلى غرفة التحميل الهيدروليكية. اعتمادًا على ظروف الحفر وخصائص التربة، يتم تعديل تركيبة محلول البنتونيت باستمرار. يشتمل المجمع على مختبر كيميائي يقوم بدراسة تركيبة التربة وإجراء التغييرات المناسبة على وصفة المحلول.

إذا كان من الضروري القيام بالعمل في منطقة قاع البئر - استبدال القواطع الدوارة، وما إلى ذلك. (بالمناسبة، كل هذا العمل يمكن القيام به من غرفة تحميل التربة، أي أن تكون "داخل" الدرع)، يتم إزاحة محلول البنتونيت الموجود في غرفة التحميل الهيدروليكي بالهواء المضغوط. بقايا البنتونيت على شكل فيلم ووسادة من الهواء المضغوط تثبت الوجه، بينما يتمكن المتخصصون من الوصول إلى الهيئات التنفيذية للدرع.

وبمساعدة مجمعات حفر الأنفاق المحملة هيدروليكياً، تم بناء الأنفاق في أصعب الظروف الهندسية والجيولوجية، وتم استخدام مجمع فكتوريا مماثل لحفر أنفاق جديدة عبر منطقة "التعرية" في سانت بطرسبرغ. وفي موسكو، أكمل مجمع حفر أنفاق هيرينكنخت الذي يبلغ قطره 14.2 مترًا بنجاح حفر نفق طريق تحت نهر ياوزا ومتنزه ليفورتوفو على طول مسار حلقة النقل الثالثة. يقوم هذا المجمع الآن بحفر نفق مشترك للمترو الآلي على طول طريق شارع Krasnopresnensky Prospekt بالقرب من غابات Serebryanoborsky.

قرر ريتشارد لوفات، مؤسس شركة LOVAT العالمية الشهيرة، أن يتم ارتداء جميع المجمعات التي تنتجها شركته أسماء الإناثتكريماً لشفيعة التعدين تحت الأرض القديسة بربارة. معه يد خفيفةيبدأ التقليد الرومانسي. الآن أسماء جميلةلا توجد لوحات تحمل العلامة التجارية "LOVAT" فحسب، بل توجد أيضًا مجمعات من شركات مصنعة أخرى. لذلك، تعمل "كلافيا" و"كاتيوشا" و"بولينا" و"أولغا" في موسكو، و"سيويومبايك" و"ألتينشياتش" (غولديلوكس) تعملان في كازان، وتغلبت "فيكتوريا" ببطولة على ظروف "رازميفا" الصعبة. في سانت بطرسبرغ.

لقد قمنا هنا بتغطية جزء صغير فقط من العدد الهائل من مجمعات أنفاق الدرع. هناك دروع لبناء الأنفاق ببطانة خرسانية مضغوطة متجانسة، ودروع للبطانة المضغوطة في الأرض، ودروع لبناء الأنفاق من الأنابيب، والدروع الدقيقة وحتى مجمعات الدرع لطريقة العمل المفتوحة!

الفكر الهندسي لا يقف ساكنًا، واليوم يتم بناء مجمعات حفر الأنفاق المشتركة التي يمكن أن تعمل في كل من الوضع الهيدروليكي وحمل التربة، لتتوافق بشكل كامل مع الظروف الجيولوجية التي تتم مواجهتها على طول مسار النفق.

شكرًا لأوليغ ماكاروف وروسوس وشتورمان لمساعدتهم في إعداد المواد وتوفير الرسوم التوضيحية.

مراحل إنشاء المترو:

اختيار الموقع

بادئ ذي بدء، يتم وضع المترو في المناطق النائية من العاصمة. ويأخذ هذا في الاعتبار عدد الأشخاص الذين يعيشون هناك وحجم المساكن التي سيتم بناؤها في المستقبل، وكذلك ما إذا كان هناك أي منها المؤسسات الصناعيةومجموعات الأعمال ومراكز المكاتب الكبيرة حيث يأتي الناس للعمل كل يوم. يتأثر اختيار موقع المحطة الجديدة أيضًا بعوامل مثل عدد سكان المناطق المجاورة وحتى منطقة موسكو. غالبًا ما يقررون بناء محطة تكون فيها حركة مرور المركبات أكثر كثافة.

المسوحات الهندسية

في هذه المرحلة، المعلومات اللازمة لمواصلة تطوير دراسة جدوى المشروع و وثائق العملللبناء. يجب أن تشمل المسوحات الهندسية لبناء المترو أنواع المسوحات الجيولوجية والجيوديسية والبيئية وغيرها من المسوحات حسب الضرورة.

تصميم

في هذه المرحلة يتم تحديد العمق وأنواع الهياكل وطريقة الحفر. الأنفاق تحت الأرض، يتم وضع وثائق التصميم والتقدير. ببساطة، يحدد المصممون "الطريق" الأمثل طريق تحت الأرضوموقع المحطة.

يتم إعداد المشروع بحيث لا يؤدي البناء إلى الإضرار بالآثار المعمارية والمباني على السطح والمتنزهات والحدائق العامة، وفي الوقت نفسه يكلف الميزانية أقل قدر ممكن. إذا كان مسار النفق يمر بالقرب من المرافق القائمة، إذا لزم الأمر، يتم تطوير طرق الحماية الهندسية لهذه الهياكل من الضوضاء والاهتزازات والتيارات الضالة التي تنشأ أثناء بناء وتشغيل خطوط المترو.

بناء

تحدد الكائنات الموجودة على السطح بشكل أساسي مدى عمق المحطة الجديدة. تحت الطرق السريعة في الشوارع، يمكن للمترو "الاختباء" على عمق ضحل جدًا - أقل من 20 مترًا. هذا هو الخيار الأكثر اقتصادا ويتم اختياره لمعظم المحطات الجديدة. إذا كان في الأعلى - المباني السكنية، فسيتعين عليك "النزول" بشكل أعمق.

يميز طريقة مغلقةالبناء، دون فتح السطح، والطريقة المفتوحة، حيث يتم بناء الأنفاق والمحطات، على التوالي، في خنادق وحفر محفورة ثم تغطيتها بالتربة.

يتم استخدام الطريقة المغلقة في بناء الخطوط العميقة؛ حيث يتم بناء المحطات الضحلة بشكل رئيسي طريقة مفتوحة.

يبدأ بناء المترو "العميق" بوضع عمود منجم للقفص (المصعد)، والذي سيوصل عمال بناء المترو والمعدات اللازمة "إلى مكان العمل" يمكن مقارنة المنصة التي تنفجر حول الجذع بدرج ضخم. هذا هو المكان الذي يبدأ فيه حفر الأنفاق. وعلى نفس المنصة، بعد الحفر، يتم نقل عشرات الأطنان من التربة إلى السطح يوميًا.

كلما كانت المحطة أعمق، زادت تكلفتها وزادت مواردها التي تتطلبها. وفي عام 2011، تقرر في موسكو بناء معظم المحطات الجديدة بطريقة مفتوحة. يكفي حفر حفرة وتثبيتها الهياكل الخرسانيةوالردم ووضع المسارات داخل الممر الناتج. وهذا ليس أرخص فحسب، بل إنه أسرع بكثير من بناء محطات عميقة.

يتم حفر الأنفاق وتقويتها باستخدام أنابيب من الحديد الزهر أو كتل من الخرسانة المسلحة المقاومة للماء.

تركيب السلالم المتحركة

بالتوازي مع بناء النفق، يتم بناء المحطة نفسها ونظام الانتقال، ثم يتم وضع الاتصالات في المترو وتركيب السلالم المتحركة.

في محطات المترو العميقة، يتم تركيب السلالم المتحركة في الأنفاق المائلة الطويلة - المخارج. طول طويلتفرض هذه السلالم المتحركة متطلبات خاصة على قوة هيكلها وموثوقية الفرامل.

بالنسبة للمنشآت الضحلة، يتم استخدام السلالم المتحركة الأرضية. والمهم هو أن جميع المحطات الجديدة مجهزة أيضًا بمصاعد للأشخاص ذوي الإعاقة.

التصميم الداخلي

يعتبر مترو العاصمة بحق الأجمل في العالم. في معظم البلدان، تعتبر المحطات نفعية ولا يمكن تمييزها عن بعضها البعض. على الرغم من حقيقة أنه يتم الآن بناء محطات مترو موسكو وفقًا لذلك المشاريع القياسيةلكل منهم تم تطوير حل معماري وتصميمي خاص به.

يمكن الاطلاع على مشاريع التصميم لمحطات مترو موسكو قيد الإنشاء.

المشاريع النموذجية:

بالنسبة للمحطات الضحلة، يتم استخدام ثلاثة أنواع رئيسية:

محطة مقببة ذات منصة مفتوحة خالية من الأعمدة؛

امتداد مزدوج مع أعمدة في منتصف المنصة (للمحطات الضحلة)؛

ثلاثة امتداد (للمحطات الضحلة).

في وسط موسكو، بسبب كثافة المباني التاريخية، يتم استخدامه النوع القديمهناك نوعان من المحطات العميقة - العمود والصرح.

تقنيات لمساعدة بناة المترو

مجمعات حفر الأنفاق

في الثلاثينيات، تم بناء أولى محطات مترو موسكو يدويًا: باستخدام معول ومجرفة. اليوم، يمتلك بناة المترو تقنيات متقدمة في ترسانتهم. لإنشاء أنفاق مترو الأنفاق، يتم استخدام هيكل مؤتمت بالكامل للخدمة الشاقة يسمى "الدرع الممل". ربما يمكن مقارنتها بـ "الدودة الفولاذية" التي تحفر طريقًا عبر الصخور، تاركة وراءها نفقًا جاهزًا.

وفقًا للأسطورة، فإن مخترع أول "درع تعدين" في العالم، وهو الإنجليزي مارك برونيل، توصل بالفعل إلى مثل هذا التصميم بعد أن ألقى نظرة فاحصة على "عمل" دودة السفينة العادية عندما خدم في البحرية. ولاحظ أن رأس الرخويات كان مغطى بقشرة صلبة، بمساعدة الحواف الخشنة التي حفرتها الدودة في الشجرة، تاركة وراءها طبقة واقية ناعمة من الجير على جدران الممر.

تبلورت فكرة الآلة التي سهّلت بناء الأنفاق بشكل كبير في عام 1817، عندما طلب الإمبراطور الروسي ألكسندر الأول من برونيل تصميم نفق تحت نهر نيفا في سانت بطرسبرغ. صحيح أن المهندس لم يتمكن أبدًا من العمل في روسيا - فقد قرر الإمبراطور في النهاية بناء جسر في الموقع المقصود.

ومع ذلك، في عام 1818، تم تسجيل براءة اختراع أول درع برونيل، وفي عام 1825، بدأ بناء نفق تحت نهر التايمز.

في الآلة الأولى، تم اختيار التربة من قبل 36 عامل منجم في وقت واحد، كل منهم موجود في خليته الخاصة. بعد حفر التربة بضعة سنتيمترات، تم تحريك الدرع للأمام قليلاً. لم تكن هذه مهمة سهلة، نظراً للتسرب المستمر للمياه (كان قاع النهر يقع على بعد بضعة أمتار فقط فوق أقواس هذا النفق المزدوج). أودت عدة فيضانات في المنجم بحياة سبعة عمال، وفي إحدى المرات كاد ابن برونيل أن يموت. علاوة على ذلك، اشتعلت غازات المستنقعات أكثر من مرة في موقع بناء تحت الأرض. ومع ذلك انتهى العمل بالنصر.

وفي اليوم الأول بعد افتتاح الهيكل المذهل، مر عبر النفق 15 ألف شخص. منذ ذلك الحين، تم اعتبار بريطانيا العظمى بجدارة رائدة في مجال حفر الأنفاق الدرعية، وطريقة الدرع نفسها كذلك الأدب المتخصصتلقى اسم "لندن".

في بلدنا، تم استخدام درع الأنفاق لأول مرة في بناء المترو في عام 1934 لحفر قسم صعب من المرحلة الأولى لمترو موسكو بين ميدان تيترالنايا ولوبيانكا. وأثناء بناء المرحلة الثانية من مترو موسكو، كان هناك 42 درعًا تعمل بالفعل على الطرق في وقت واحد - وهو رقم قياسي لحجم المعدات المستخدمة. ومنذ ذلك الحين، تم بناء أكثر من 70% من أنفاق مترو العاصمة باستخدام هذه التقنية.

في الدروع الأولى، كما ذكرنا سابقًا، تم اختيار التربة يدويًا بواسطة العمال باستخدام آلات ثقب الصخور وإزالتها عبر نفق تم بناؤه بالفعل على عربات. لتحريك الدرع للأمام، تم استخدام الرافعات اللولبية، التي استقرت على الجزء النهائي من بطانة النفق ودفعت الماكينة للأمام.

نما حجم الأنفاق، كما تحسن تصميم "الدودة": ظهرت منصات أفقية في الجزء الأمامي منها، مما سمح للعمال بتطوير التربة في وقت واحد من مستويين (وأحيانًا أكثر). ومع ذلك، نظرًا للكمية الكبيرة من العمل اليدوي والحوادث المتكررة، فقد ترك معدل الاختراق الكثير مما هو مرغوب فيه.

تم تسريع العملية بشكل كبير من خلال استخدام البطانة الجاهزة من العناصر الكبيرة - أنابيب الحديد الزهر في البداية. بدأ تجميع الحلقات العملاقة التي تشكل الأنفاق من عدة عناصر.

كانت المرحلة التالية في "تطور" مجمعات حفر الأنفاق هي تطوير الهياكل بما يسمى "حمولة التربة". عند تشغيل مثل هذا الدرع، يتم أولاً تغذية الصخور في غرفة محكمة الغلق، والتي تتم إزالة التربة منها باستخدام مبدأ "مفرمة اللحم" باستخدام ناقل لولبي.

واليوم يتم بناء الأنفاق في أصعب الظروف الهندسية والجيولوجية، كما تم تصميم دروع حديثة لحفر الأنفاق في مختلف أنواع التربة بما فيها التربة غير المستقرة. تعمل المجمعات على دورتين: أولا تطوير التربة، ثم بناء البطانة، وتركيب الكتل. متوسط سرعة "اختراق" الألواح اليوم هو 250 - 300 م شهريا، متوسط التكلفة- 13 - 15 مليون يورو.

كان بناة موسكو هم الأوائل في العالم الذين قاموا ببناء أنفاق مائلة لمناطق السلالم المتحركة باستخدام دروع حفر الأنفاق. بأمر من Mosmetrostroy، قامت شركة Lovat الكندية بتطوير وتصنيع مجمع حفر الأنفاق بقطر خارجي يبلغ 11 مترًا، وباستخدامه قام بناة مترو العاصمة لأول مرة بتنفيذ حفر الأنفاق للسلالم المتحركة. حدث هذا في محطة مارينا روششا على خط مترو ليوبلينسكو-دميتروفسكايا.

بالمناسبة، فإن الحياة اليومية لبناة المترو لا تخلو من الرومانسية على الإطلاق: بمجرد أن قرر ريتشارد لوفات، مؤسس الشركة المصنعة المشهورة عالميًا لدروع حفر الأنفاق LOVAT، أن جميع المجمعات التي تنتجها شركته ستحمل أسماء نسائية تكريماً لشفيعة العمل السري القديسة بربارة. بيده الخفيفة، ولد تقليد - تخصيص أسماء النساء للدروع. ولهذا السبب توجد في موسكو آلات تحمل أسماء "كلوديا" و"كاتيوشا" و"بولينا" و"أولغا".

حل المشاكل الجيولوجية

العدو الأكثر غدرا لعمال المناجم تحت الأرض هو الرمال المتحركة: كتل من الرمال المتربة تقريبا ممزوجة بـ 10 - 15٪ من الطين، مثل الإسفنج المنقوع في الماء.

في الثلاثينيات من القرن الماضي، عندما تم بناء أول مترو أنفاق في العاصمة، واجه بناة المترو ظروفًا هيدروجيولوجية صعبة للغاية. وفي الوقت نفسه، تم استخدام نظام ضد انهيار التربة وغيرها من المشاكل النموذجية التي تهدد الأنفاق، والتي تعتبر حتى يومنا هذا واحدة من أكثر الأنظمة المدروسة والموثوقة. نحن نتحدث عن تجميد التربة، بناءً على نظام بسيط ولكنه فعال.

هناك عدة طرق للتجميد، أقدمها ما يسمى بـ”المحلول الملحي”.

وهو يتألف من حقيقة أن موقع العمل مسور من الكتلة العامة للتربة المائية بجدار من التربة الصقيعية. يمكن للتربة المتجمدة التي يبلغ سمكها مترًا أو مترين عند درجة حرارة -12 درجة أن تتحمل عمليًا أي ضغط صخري وتقاوم تغلغل المياه الجوفية تمامًا. كيفية جعل البرد يذهب تحت الأرض؟ ويتم تحقيق ذلك بمساعدة الأجهزة الاصطناعية من آلات التبريد الخاصة.

تعتمد آلة التبريد على حقيقة أن مادة التبريد (الأمونيا السائلة، الفريون، وما إلى ذلك)، التي يتم إطلاقها من الخزانات إلى أعمدة التجميد المعدة، تزيل بيئةالدفء. يتم تسييل أبخرةه مرة أخرى باستخدام ضاغط ومكثف، ويستخدم البرد المتكون في المبخر لتبريد محلول كلوريد الكالسيوم الملحي العامل غير المتجمد. يدخل المحلول الملحي عند درجة حرارة -25 درجة إلى نظام التبريد. لتثبيته، يتم حفر الآبار التي يبلغ قطرها 150 - 200 ملم على طول كفاف الحفر على مسافة متر واحد من بعضها البعض. يتم إنزال أعمدة التجميد المكونة من أنابيب مزدوجة في الآبار. يدخل المحلول الملحي المتجمد من خلال الأنبوب الأوسط، ومن خلال الأنبوب الخارجي، بعد التسخين الطبيعي في الأرض، يعود إلى آلة التبريد. وبالتالي، فإن تداول المحلول الملحي يحدث بشكل مستمر.

بعد حوالي شهر من تشغيل آلة التبريد، تتجمد التربة المحيطة بأعمدة التجميد الفردية إلى كتلة متجانسة، مما يحمي موقع المنجم من اختراق المياه الجوفية وانهيار الجدران. الآن يجب على آلة التبريد أن تدعم فقط حلقة التربة الصقيعية حتى يتم حفر جدرانها وتأمينها.

الطريقة الأكثر حداثة هي التجميد بدرجة حرارة منخفضة باستخدام النيتروجين السائل.. وهو سائل عديم اللون، ودرجة حرارة التبخر منخفضة للغاية (عند الضغط الجوي -195.8 درجة مئوية).

يتم إنتاج النيتروجين السائل في مصانع خاصة عن طريق تسييل الهواء الجوي عند درجات حرارة منخفضة ثم فصله إلى نيتروجين سائل وأكسجين، مما يؤدي إلى درجات حرارة مختلفةتبخر. يتم نقل النيتروجين السائل في حاويات خاصة (صهاريج).

على عكس المبردات الصناعية الأخرى (الأمونيا والفريون) والتي لا يمكن استخدامها إلا في نظام مغلق وحدة التبريديتم استخدام النيتروجين السائل مرة واحدة (يتم إطلاق الغاز المتبخر إلى البيئة).

تتمتع طريقة التجميد بدرجة حرارة منخفضة باستخدام النيتروجين السائل بعدد من المزايا مقارنة بالتجميد التقليدي (المحلول الملحي). عند التجميد بالنيتروجين السائل، لا تكون هناك حاجة لمحطات التجميد وشبكات الأنابيب. يتم إطلاق النيتروجين السائل الذي يتم تسليمه إلى موقع البناء من الخزانات مباشرة إلى أعمدة التجميد. ويزداد معدل التجمد، وهو أمر مهم بشكل خاص عند المعدلات العالية لترشيح المياه الجوفية، وكذلك مع تدفق المياه الحرارية والمعدنية. لتجميد 1 م 3 من التربة بمحتوى مائي يصل إلى 30٪، يتم استهلاك 1000 لتر من النيتروجين السائل. النيتروجين السائل مقاوم للانفجار والحريق وغير سام.

ومع ذلك، فقد تم استخدام كلتا الطريقتين مؤخرًا بشكل نادر جدًا. النيتروجين السائل باهظ الثمن بشكل غير معقول، ويستغرق "ضبط" التربة أكثر من شهر. لذلك، يتم استخدام التجميد اليوم فقط عند حفر أنفاق السلالم المتحركة المائلة.

في حالات أخرى، هناك بديل أكثر تقدما واقتصاديا إلى حد ما - تكنولوجيا الحقن النفاث للتربة، أو الحقن النفاث. هذه طريقة لتوحيد التربة تعتمد على التدمير المتزامن وخلط التربة بنفث عالي الضغط من الملاط الأسمنتي. نتيجة للإسمنت النفاث للتربة تتشكل فيها أعمدة أسطوانية يبلغ قطرها 600 - 2000 ملم.

ظهرت التكنولوجيا في وقت واحد تقريبًا في ثلاث دول - اليابان وإيطاليا وإنجلترا. لقد تبين أن الفكرة الهندسية كانت مثمرة للغاية لدرجة أنها انتشرت على الفور في جميع أنحاء العالم خلال العقد الماضي.

يتمثل جوهر التكنولوجيا في استخدام طاقة نفاثة الضغط العالي من الملاط الأسمنتي لتدمير التربة وخلطها في نفس الوقت مع الملاط الأسمنتي في وضع الخلط في المكان (الخلط في المكان). ونتيجة لذلك، يتم تشكيل أكوام في كتلة التربة من مادة جديدة - خرسانة التربة - ذات قدرة تحمل عالية بما فيه الكفاية وخصائص مضادة للتسرب.

يتم تنفيذ أكوام التربة الخرسانية على مرحلتين: الحركة المباشرة (حفر بئر) والحركة العكسية لسلسلة الحفر. أثناء السكتة الدماغية العكسية، يتم رفع العمود أثناء الدوران في نفس الوقت.

بمساعدة الحشو النفاث، يتم الحصول على حفرة متينة للغاية ويتم بناء أسس موثوقة لأي هيكل. يتم إنشاء حقل كومة في نمط رقعة الشطرنج، كومة واحدة تتداخل مع أخرى، والنتيجة هي متراصة - صخرة. ويمكنك بناء أي شيء عليه. تكون هذه التقنية فعالة بشكل خاص عندما يكون من الضروري بناء أجسام في التربة الرملية أو الطين الناعم أو غيرها من التربة الناعمة.

وبفضل هذه التقنيات، يستطيع بناة المترو اليوم العمل في أصعب الظروف الجيولوجية، وبناء الأنفاق التي تقود المترو إلى مناطق جديدة في العاصمة.

« ثمين » أدوات

لا يمكن لبناء المترو الاستغناء عن تكنولوجيا النانو. اليوم، يمكن للبناة استخدام أدوات مبتكرة - مثقاب وقواطع ونصائح لأعمال الماس.

في البداية، تم استخدام هذه المعرفة لحفر الخرسانة المسلحة وغيرها مواد البناءواتضح أنه مناسب جدًا لدرجة أنه بدأ استخدامه في أعمال التعدين المعقدة في التربة الصخرية. إنه يزيد بشكل كبير من مستوى سلامة العمل وسرعة الاختراق - حيث يتم تسريع عملية البناء عدة مرات. ومن المثير للاهتمام أن تكلفة المعدات "الماسية" ليست أعلى بكثير من المعتاد - فالفرق في السعر يتراوح بين 10 إلى 15٪ فقط.

الأدوات التقليدية القديمة غير قادرة على توفير العديد من الفوائد التكنولوجية. وبالتالي، يمكن للمثقاب الماسي عمل ثقوب في أي مستوى وبأي زاوية؛ باستخدام طريقة الكنتور، يمكنك الحصول على ثقوب مستطيلة منتظمة بأي حجم مرغوب، مما يؤدي إلى الحصول على كفاف مثالي. تتيح لك الأدوات "الثمينة" العمل في أضيق الأماكن وأضيقها؛ فهي قادرة على التعامل مع المواد مهما كانت صلابتها. المهم أن تكون الطريقة صامتة وصديقة للبيئة.

درع الأنفاق، أو مجمع حفر الأنفاق(TPK) – جهاز مصمم لبناء الأنفاق تحت الأرض.

تاريخ الدروع

هذا ما بدا عليه درع برونيل

تم اختراع أول درع للأنفاق على يد المهندس الإنجليزي مارك إيسامبارد برونيل في عام 1930 أوائل التاسع عشرالقرن الماضي، مع الأخذ في الاعتبار مبدأ الدودة البحرية التي تحفر الخشب. في عام 1814، اقترح برونيل على الإمبراطور الروسي ألكسندر الأول بناء نفق تحت نهر نيفا باستخدام جهاز تم اختراعه حديثًا، لكن الطاغية المتخلف فضل جسرًا عاديًا. كان مارك إيسامبارد مستاءً، ولكن ليس كثيرًا: في عام 1818 حصل على براءة اختراع لدرعه، وفي عام 1825 بدأ بناء نفق تحت نهر التايمز. ومنذ ذلك الحين، اعتبرت بريطانيا العظمى بجدارة رائدة في مجال حفر الأنفاق اللوحية. علاوة على ذلك، فإن طريقة الدرع نفسها كانت تسمى "لندن" في الأدبيات المتخصصة.

نسخة سوفيتية من الدرع الإنجليزي في ساحة تيترالنايا في موسكو

وفي الاتحاد السوفييتي، تم بناء الدرع لأول مرة في عام 1934 لحفر قسم صعب من المرحلة الأولى لمترو موسكو بين ساحة تيترالنايا ولوبيانكا. على الرغم من أن الدعاية السوفيتية قدمت هذه الحقيقة على أنها انتصار للصناعة الاشتراكية، إلا أن الدرع السوفيتي كان في الواقع نسخة من الدرع الإنجليزي من شركة ماركهام وشركاه، والذي تم شراؤه سابقًا بالعملة الأجنبية وكان يعمل بالفعل في نفس الموقع. .

والأمر الغريب هو أن الدرع الإنجليزي وصل إلى موقع البناء مفككًا بالطبع ولكن بدون رسومات ووثائق. نظرًا لأن احتمال قيام البريطانيين بإفسادهم أمر سخيف، يعتقد علماء الأحياء المعاصرون أن المهندسين السوفييت الفضوليين كانوا يقومون بنسخ الرسومات في ذلك الوقت بالذات. ونتيجة لذلك، اضطر عمال الصدمة في كومسومول إلى جمع الدرع الإنجليزي بمساعدة المطارق الثقيلة، والبراعة الشعبية، وكذا الأم والمستشار الأجنبي. بدأ تشغيل الدرع السوفيتي حرفيًا في غضون أشهر - من الواضح تمامًا أنه من المستحيل فعليًا إنشاء جهاز بهذا التعقيد "من الصفر" دون أدنى خبرة في هذا المجال - حتى لو سأل الرفيق كاجانوفيتش حقًا.

بناء الدرع

يتكون درع الأنفاق الكلاسيكي من جسم عامل (هذا ما يستخدمونه للحفر)، وأنبوب (بحيث لا يسقط الرمل والتراب من الأعلى)، ومركب (هذا ما يستخدمونه لوضع الكتل، وليس ما فكر) والرافعات التي تدفع الدرع بعيدًا عن النفق المشيد.

تصنيف الدروع

من وجهة نظر المتسلقين تحت الأرض، تنقسم الدروع إلى أربع فئات:

أنبوب صدئ به رافعات تعفن ذات مرة في الطريق من ستروجينو إلى ميتينو

الأنابيب الصدئة مع الرافعات

الدرع السوفييتي القديم من سلسلة Shch أو ShchN. يتم استخدام العمال الذين يستخدمون آلات ثقب الصخور والمجارف كجسم عمل. إنها ليست ذات قيمة خاصة بالنسبة لمنظمة التشغيل، لذلك بمجرد نفاد أموال البناء، يتم التخلي عنها كما هي.

العشرات من الأجهزة من هذه الفئة تتعفن تحت مساحات شاسعة من وطننا. بل إن المزيد منهم يتعفنون في المستودعات السرية لبناء المترو. بمجرد أن يصل سعر النفط إلى 130 دولارًا للبرميل، هناك الكثير من الأموال لبناء مترو الأنفاق، وهناك نقص كارثي في الدروع الأجنبية، يقوم متروستروي بإزالة عشرات الأنابيب الصدئة من المستودعات وإرسالها إلى العمل.

العمل اليدوي الشاق أصبح شيئا من الماضي. اليوم، يتم استخدام هيكل مؤتمت بالكامل للخدمة الشاقة يسمى "الدرع الممل" لبناء أنفاق مترو الأنفاق. ربما يمكن مقارنتها بـ "الدودة الفولاذية" التي تحفر طريقًا عبر الصخور، تاركة وراءها نفقًا جاهزًا. العمل اليدوي الشاق أصبح شيئا من الماضي. اليوم، يتم استخدام هيكل مؤتمت بالكامل للخدمة الشاقة يسمى "الدرع الممل" لبناء أنفاق مترو الأنفاق. ربما يمكن مقارنتها بـ "الدودة الفولاذية" التي تحفر طريقًا عبر الصخور، تاركة وراءها نفقًا جاهزًا.

بالمناسبة، وفقا للأسطورة، فإن مخترع أول "درع التعدين" في العالم، الإنجليزي مارك برونيل، توصل بالفعل إلى مثل هذا التصميم بعد أن ألقى نظرة فاحصة على "عمل" دودة السفينة العادية عندما خدم في البحرية. ولاحظ أن رأس الرخويات كان مغطى بقشرة صلبة، بمساعدة الحواف الخشنة التي حفرتها الدودة في الشجرة، تاركة وراءها طبقة واقية ناعمة من الجير على جدران الممر.

ومع ذلك، تم تسجيل براءة اختراع درع برونيل الأول في عام 1818، وفي عام 1825، بدأ بناء نفق تحت نهر التايمز بمساعدته.

في بلادنا، تم استخدام درع الأنفاق لأول مرة في بناء المترو عام 1934 لحفر قسم صعب من المرحلة الأولى لمترو موسكو بين ساحة تيترالنايا ولوبيانكا

وأثناء بناء المرحلة الثانية من مترو موسكو، كان هناك 42 درعًا تعمل بالفعل على الطرق في وقت واحد - وهو رقم قياسي لحجم المعدات المستخدمة. ومنذ ذلك الحين تم إنشاء أكثر من 70% من أنفاق مترو العاصمة باستخدام هذه التقنية، أي جميع المحطات الضحلة. كان بناة موسكو أول من قام ببناء أنفاق مائلة في العالم باستخدام دروع حفر الأنفاق.

تم تسريع العملية بشكل كبير من خلال استخدام البطانة الجاهزة من العناصر الكبيرة - أنابيب الحديد الزهر في البداية. بدأ تجميع الحلقات العملاقة التي تشكل الأنفاق من عدة عناصر

واليوم يتم بناء الأنفاق في أصعب الظروف الهندسية والجيولوجية، كما تم تصميم دروع حديثة لحفر الأنفاق في مختلف أنواع التربة بما فيها التربة غير المستقرة. تعمل المجمعات على دورتين: أولا تطوير التربة، ثم بناء البطانة، وتركيب الكتل. متوسط سرعة اختراق الدروع اليوم هو 80-100 م شهريا، ومتوسط التكلفة 20 مليون يورو.

يحتاج المترو أيضًا إلى أنفاق مائلة لمناطق السلالم المتحركة. بناءً على طلب شركة Mosmetrostroy، قامت شركة Lovat الكندية بتطوير وتصنيع مجمع حفر أنفاق بقطر خارجي يبلغ 11 مترًا لمد أنفاق السلالم المتحركة. وباستخدام هذه الوحدة، كان بناة مترو العاصمة هم الأوائل في العالم الذين قاموا بإنشاء أنفاق درعية للسلالم المتحركة. حدث هذا في محطة مارينا روششا.

بالمناسبة، فإن الحياة اليومية لبناة المترو لا تخلو من الرومانسية على الإطلاق: بمجرد أن قرر ريتشارد لوفات، مؤسس الشركة المصنعة المشهورة عالميًا لدروع حفر الأنفاق LOVAT، أن جميع المجمعات التي تنتجها شركته ستحمل أسماء نسائية تكريماً لشفيعة العمل السري القديسة بربارة. بيده الخفيفة، ولد تقليد - تخصيص أسماء النساء للدروع. ولهذا السبب تعمل "كلوديا" و"كاتيوشا" و"بولينا" و"أولغا" في موسكو.

القليل عن سجلات "الدرع": أكبر مجمع لحفر الأنفاق في العالم عبارة عن آلة يبلغ قطرها 19 مترًا، ويمكنها في شهر واحد وضع نفق يتراوح طوله بين 250 و300 متر في مستويين، يستوعب أربعة ممرات من الطريق السريع وخط المترو . مثل هذه المعجزة التكنولوجية العملاقة تكلف 60-100 مليون يورو.

ومع ذلك، فإن الريادة في استخدام أنظمة حفر الأنفاق تعود إلى موسكو. في العاصمة، أكملت درع شركة هيرينكنشت التي يبلغ قطرها 14.2 مترًا بنجاح حفر أول نفق مترو آلي مشترك في روسيا على طول طريق زفينيجورودسكي بروسبكت بالقرب من سيريبرياني بور. من بين 2.5 كيلومتر من المسار، تم تغطية 1.5 كيلومتر باستخدام طريقة الدرع.

اليوم، تحولت موسكو تحت الأرض إلى موقع بناء ضخم - بحلول عام 2015، من المخطط بناء أكثر من 70 كم من خطوط المترو في العاصمة. يتم حفر أنفاق مترو موسكو الجديد بواسطة أكثر من 20 مجمعًا ضخمًا - "الخلد" الذي يضمن السرعة العالية وجودة العمل - وسيتم تجديد جيش هذه الآلات التي لا يمكن الاستغناء عنها بحيث يزداد طول خطوط المترو بحلول عام 2020 1.5 مرة - إلى 451.2 كم.

عند إعداد المادة، تم استخدام صور لمدوني لايف جورنال: ألكسندر "روسوس" بوبوف، فاديم ماخوروف ونيكولاي "ستوماستر".

إهداء لأكبر درع أنفاق في العالم لشركة “Herrenknecht AG” الألمانية.

درع النفق هيرينكنخت

يتم استخدام درع أنفاق عملاق يبلغ قطره 15.2 مترًا لشق نفق طريق وسط مدينة مدريد، يصل طوله إلى 22 مترًا يوميًا. يبلغ طول النفق (= النفق) 3650 مترًا ومن المفترض أن يريح العاصمة الإسبانية من الاختناقات المرورية.

درع النفق من شركة Herrenknecht AG، ألمانيا

تنتج شركة Herrenknecht AG (ألمانيا) معدات حفر الأنفاق لتمديد الأنفاق لأغراض مختلفة في أي ظروف هيدروجيولوجية. تم بيع أكثر من 1000 آلة حفر أنفاق صغيرة من نوع Herrenknecht يصل قطرها إلى 4.2 متر، بالإضافة إلى ما يقرب من 350 نظام حفر أنفاق يبلغ قطرها أكثر من 4.2 متر، في جميع أنحاء العالم.

في موسكو، يتم تشغيل حوالي 35 منشأة حفر أنفاق صغيرة تابعة لشركة Herrenknecht AG بقطر يتراوح من 400 إلى 2000 ملم، بالإضافة إلى حوالي 15 منشأة في مدن أخرى في روسيا. بالمناسبة، في موسكو، يعمل درع الأنفاق الألماني Herrenknecht S-250 بقطر 14.2 مترًا على بناء نفق سيريبريانوبورسكي المكون من مستويين.

أطول الأنفاق:

نفق جوتهارد الأساسي ( نفق جوتهارد الأساسي، GBT، سويسرا) - نفق السكك الحديدية. ويبلغ طوله بحسب المشروع 57 كيلومترا (الطول الإجمالي شاملا الممرات الخدمية والمشاة 153.5 كيلومترا). بعد الانتهاء من البناء في 2016-2017. سيكون GBT أطول نفق للسكك الحديدية في العالم. لقطع الصخور، يتم استخدام 6 دروع أنفاق قوية قادرة على المرور لمسافة تصل إلى 25-30 مترًا يوميًا.
أطول نفق اليوم هو نفق سيكان الياباني ( نفق سيكان)، ويربط بين جزيرتي هونشو وهوكايدو اليابانيتين. ويبلغ طول النفق الذي تم افتتاحه أمام حركة المرور في 13 مارس 1988، 53.9 كيلومترًا.